Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Термодинамическое состояние аминокислотной последовательности определяется взаимодействиями атомов основной и боковой цепей в пределах каждого остатка и взаимодействиями остатков между собой и с молекулами окружения, прежде всего молекулами воды. Рассмотрим некоторые характерные для нативного состояния белковой молекулы особенности этих взаимодействий. Они были выяснены путем непосредственного наблюдения и соответствующей математической обработки моделей известных кристаллографических структур белков. Проведенный анализ позволил получить представление о характере распределения различных остатков на поверхности глобулы и в ее внутренней части, а также о плотности упаковки атомов и их доступности молекулам растворителя.
Б. Ли и Ф. Рихарде [10] впервые в 1971 г., а позднее А. Шрейк и Дж. Рапли [11], введя определенные геометрические критерии, учитывающие контактные радиусы, число возможных межатомных взаимодействий и размеры молекул растворителя, рассчитали степень экспонированности атомов на поверхности белковой глобулы и таким образом определили статистическую доступность аминокислотных остатков молекулам растворителя. Оценки, сделанные для небольших белков (миоглобина, лизоцима и рибонуклеазы S), показали, что средняя доступность атомов независимо от их полярности в нативной конформации приблизительно в три раза меньше, чем у гипотетической полностью растянутой аминокислотной последовательности. С. Чотиа, использовав тот же метод на большом числе объектов, нашел линейную зависимость между уменьшением доступной растворителю площади при свертывании аминокислотной последовательности и молекулярной массой белка [12].
Наибольший интерес при анализе кристаллографических моделей, естественно, представлял вопрос о характере распределения в белковой глобуле полярных и неполярных остатков. Полученные здесь результаты оказались неожиданными, поскольку они далеко не в полной мере согласовывались с представлением о доминантной роли гидро-
341
фобных взаимодействий, как, впрочем, и водородных связей, в пространственной организации белка. Результаты противоречили той общепринятой трактовке гидрофобных взаимодействий, согласно которой белковая глобула состоит из гидрофобного ядра и полярной оболочки. Гидрофобная модель согласуется с идеями Ленгмюра и Козмана. В частности, она базируется на спорном предположении о возможности строгого деления стандартных аминокислот на полярные (гидрофильные) и неполярные (гидрофобные). Это крайне затрудняет, если не исключает, трансформацию феноменологической концепции Козмана, в принципе правильно трактующей природу гидрофобных взаимодействий, в количественную теорию структурной организации нативной конформации белка. Четкой границы между аминокислотными остатками нельзя провести, по крайней мере, по трем причинам. Во-первых, имеется представительная промежуточная группа аминокислот; во-вторых, у большинства полярных остатков, несущих даже целочисленные заряды, значительную часть боковых цепей составляют неполярные атомные группы и, в-третьих, пептидные связи основной цепи, безусловно являющиеся полярными, даже если они образуют между собой водородные связи, принадлежат всем остаткам. Не спасает, а еще более запутывает предположение об отнесении к полярным и неполярным группировкам не целых аминокислотных остатков, а их отдельных частей (в этом случае каждый остаток делится на две, а чаще всего на три атомные группы). Пространственно отделить многочисленные полярные группы от неполярных и образовать из первых гидрофильную оболочку глобулы, а из вторых — гидрофобное ядро не представляется возможным (при данной валентной схеме) в силу несопоставимости частей и целого.
Анализы кристаллографических моделей белков, проведенные И. Клотцем [13], Б. Ли и Ф. Рихардсом [10], не выявили тенденции так называемых полярных остатков находиться на поверхности, а неполярных — во внутренней части глобулы. Расчеты показали, что половина поверхности, экспонированной к растворителю, состоит из углеводородных атомных групп так называемых полярных остатков и боковых цепей неполярных остатков, в то время как многие полярные группы экранированы от растворителя и находятся не на периферии, а в интерьере пространственной структуры белка. И. Кунтц, рассматривая модель карбоксипептидазы, пришел к выводу о преимущественном расположении внутренних неполярных боковых цепей в промежуточных между а-спиралями и (3-структурами областях [14]. По предположению Кунтца, назначение таких неполярных контактов заключается в стабилизации третичной структуры белка посредством дисперсионных взаимодействий между вторичными структурами.
Такое же заключение сделал Чотиа из анализа расположения полярных и неполярных остатков в а-спиралях, (3-структурах в экспонированной к растворителю поверхности шести белков [12]. Однако Танака и Шерага показали, что контактные области вторичных структур содержат как полярные, так и неполярные аминокислотные остатки [15, 16]. В 1978 г. Д. Уертц и Г. Шерага проанализировали распре-
